Ядро атома и радиоактивные превращения

Наряду с хи­мическими реакциями, в которых принимают участие только элек­троны, существуют различные превращения, в которых изменению подвергаются ядра атомов (ядерные реакции).

В состав ядра входят протоны и нейтроны. В настоящее время известно, что строение ядра более сложное и, как предполагают, в его состав входят не­сколько сотен элементарных частиц (кварки, лептоны и др.). Протон обладает массой 1,0073 а.е.м. (или 1,67∙10^–24 г) и зарядом +1 (за единицу электрического заряда принимается заряд электрона). Масса ней­трона равна 1,0087 а.е.м. (или 1,67∙10^–24 г), заряд 0. Обозначение изотопа включает в себя массовое число, т.е. атомную массу (рав­ную сумме протонов и нейтронов – иногда эту сумму также назы­вают нуклонным числом или просто нуклоном) и порядковый номер (равный числу протонов в ядре). Атомная масса изотопа обычно за­писывается сверху слева от символа элемента, порядковый номер – снизу слева, например: ³⁵₁₇Сl, ³⁷₁₇Сl.

Эта форма записи распространяется и на элементарные частицы:

β-лучи, представляющие собой электроны, имеют ничтожно малое массовое число и им приписывают массовое число, равное 0; по­этому β-частицы обозначаются символом ⁰_–1β.

α-частицы (положи­тельные двухзарядные ионы гелия) обозначают символом ⁴₂Не, а нейтрон и протон – соответственно ¹₀n и ¹₁р.

Все изотопы подразде­ляются на стабильные и радиоактивные. Стабильные изотопы не подвергаются радиоактивному распаду, поэтому они и сохраняются в природных условиях (¹⁶О, ¹²С, ¹⁹F). Радиоактивные изотопы подразделяются, в свою очередь, на ес­тественные и искусственные – и те и другие самопроизвольно распадаются, испуская при этом α- или β-частицы до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп. Химические свойства всех изото­пов в основном одинаковы. Существуют три основных ви­да самопроизвольных ядерных превращений:

1. α-распад: ядро испускает α-частицу, которая представляет со­бой ядро атома гелия ⁴₂Не и состоит из двух протонов и двух ней­тронов. Массовое число изотопа уменьшается на 4, а заряд ядра – на 2, например: ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Ra + ⁴₂Не

2. β-распад: в неустойчивом ядре нейтрон превращается в про­тон, при этом ядро испускает электрон (β-частицу) и антинейтрино: п → р + е + ν. Массовое число изотопа не изменяется, поскольку общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд ядра увели­чивается на 1, например: ²³⁴₉₀Th → ²³⁴₉₁Pa + ⁰₊₁е.

3. γ-распад: возбужденное ядро испускает γ-излучение с очень малой длиной волны, при этом энергия ядра уменьшается, массовое число и заряд ядра остаются неизменными.

Скорости распада радиоак­тивных элементов сильно отличаются от одного элемента к другому и не зависят от внешних условий, таких, например, как температура (в этом состоит важное отличие ядерных реакций от обычных хими­ческих превращений). Каждый радиоактивный элемент характеризу­ется периодом полураспада τ_½, т.е. временем, за которое самопро­извольно распадается половина атомов исходного вещества. Так, для урана и период полураспада τ_½ = 4,5∙10⁹ лет. Именно поэто­му активность урана в течение нескольких лет заметно не меняется.

Последовательности естественных радиоактивных превращений подчиняются закону смещения Содди-Фаянса: в результате α-распада образуется элемент, порядковым но­мером смещенный на две клетки к началу периодической системы; в результате β-распада образуется элемент, смещенный на од­ну клетку дальше к концу периодической системы; γ-излучение не вызывает изменения ни массы, ни заряда атома.